某數(shù)字式控制器電磁兼容性設(shè)計(jì)與分析

摘要 介紹了數(shù)字電路中電磁兼容的目的和意義，通過分析某數(shù)字式控制器的具體結(jié)構(gòu)、干擾源及其傳播路徑和特點(diǎn)，提出了從4個(gè)方面進(jìn)行電磁兼容設(shè)計(jì)與改進(jìn)，即系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)和接地設(shè)計(jì)，并通過具體的頻譜掃描圖對(duì)設(shè)計(jì)改進(jìn)前后進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了理論分析與設(shè)計(jì)改進(jìn)措施的合理性與正確性。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字式控制器被廣泛應(yīng)用于飛機(jī)和無人機(jī)領(lǐng)域，數(shù)字式控制器較模擬式控制器有諸多優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)其應(yīng)用也帶來一些負(fù)面影響，較為突出的是在飛機(jī)機(jī)載設(shè)備環(huán)境下的電磁兼容問題，若不采取相應(yīng)的電磁兼容設(shè)計(jì)和工程方法的解決，則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重問題。

本文針對(duì)某飛機(jī)機(jī)載數(shù)字式控制器在電磁兼容性試驗(yàn)中遇到的問題，通過電磁理論分析和工程實(shí)踐手段對(duì)其進(jìn)行具體分析，系統(tǒng)提出了數(shù)字式控制器的電磁兼容性設(shè)計(jì)方法，通過相關(guān)工程實(shí)踐解決了電磁兼容試驗(yàn)中的輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)問題，并通過電磁兼容性試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)與工程方法的可行性。

1 電磁兼容性試驗(yàn)要求

機(jī)載設(shè)備電磁兼容性試驗(yàn)的內(nèi)容包括傳導(dǎo)發(fā)射、輻射發(fā)射、傳導(dǎo)敏感度和輻射敏感度。對(duì)于機(jī)載數(shù)字式控制器的電磁兼容設(shè)計(jì)必須根據(jù)機(jī)載環(huán)境、干擾源的特點(diǎn)以及傳播途徑，從系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、濾波器設(shè)計(jì)和接地設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行。

2 系統(tǒng)構(gòu)型及電磁干擾源

該數(shù)字式控制器的主要功能是采集、記錄、處理各種傳感器信號(hào)和輸入的數(shù)字信號(hào)，根據(jù)設(shè)置好的控制率，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的輸出控制。某數(shù)字式控制器系統(tǒng)架構(gòu)圖及電磁干擾傳播路徑如圖1所示。

該控制器的CPU是主處理模塊，CPU模塊內(nèi)主要電磁干擾源有兩個(gè)，如圖1所示，20 MHz的晶振是CPU模塊中的主處理器工作時(shí)鐘，同時(shí)也是底板總線的時(shí)鐘;3.686 4 MHz的晶振是CPU模塊中RS-422A總線通訊的時(shí)間基準(zhǔn)。AIO模塊中2.4 kHz的交流激勵(lì)電壓用于LVDT傳感器的激勵(lì)電源。DIO模塊主要用于離散量的調(diào)理和功率輸出等，這里并無明顯的頻率干擾源，基本是54系列的門電路。PS模塊將飛機(jī)上的27 V電源轉(zhuǎn)換為控制器內(nèi)使用的二次電源。

3 電磁干擾源分析

圖1顯示了該數(shù)字式控制器內(nèi)的主要干擾源及傳播途徑，即20 MHz、3.686 4 MHz的晶振和2.4 kHz的交流激勵(lì)電壓。通常干擾源對(duì)外部的干擾有兩種傳播途徑：一是通過為干擾源器件供電電源線傳播出機(jī)箱導(dǎo)致的傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo);另一種是通過空間輻射傳播出機(jī)箱導(dǎo)致的輻射發(fā)射超標(biāo)。因此，對(duì)電磁干擾的抑制措施也主要通過這兩個(gè)途徑進(jìn)行。

傳導(dǎo)發(fā)射超標(biāo)就是干擾信號(hào)沿著電源線或信號(hào)線傳播到機(jī)箱外部，干擾信號(hào)沿電源線的傳導(dǎo)又分為干擾源直接通過電源線傳播和干擾輻射到空間被電源線接收后再傳播兩種方式。當(dāng)機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不能滿足有關(guān)電磁干擾的限制要求時(shí)，尤其是不能通過GJB151A標(biāo)準(zhǔn)中的CE102時(shí)，最大可能的原因是電源線的濾波和防輻射措施不到位。

數(shù)字式控制器的機(jī)箱上有孔縫及連接器和電纜，而孔縫和電纜是效率較高的電磁波發(fā)射與接收天線，空間的電磁干擾通常首先被電纜接收，然后傳入到計(jì)算機(jī)中，造成電路的誤動(dòng)作。當(dāng)機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不能滿足有關(guān)電磁干擾的限制要求時(shí)，尤其是不能通過GJB151A標(biāo)準(zhǔn)中的RE102時(shí)，最大可能的原因是孔縫和電纜的電磁干擾泄露。

4 電磁兼容性設(shè)計(jì)

4.1 整機(jī)系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)

在對(duì)數(shù)字式控制器進(jìn)行系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)、模塊功能分配、機(jī)箱模塊配置以及連接器信號(hào)定義時(shí)，進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì)。

數(shù)字式控制器的20 MHz和3.686 4 MHz兩個(gè)時(shí)鐘晶振，是電磁兼容設(shè)計(jì)控制的重點(diǎn)對(duì)象，為了減小其在空間的輻射，在印制板布局時(shí)，將20 MHz晶振布在距離處理器芯片的時(shí)鐘管腳最近處，而3.686 4 MHz晶振布在距離RS-422A通訊協(xié)議芯片時(shí)鐘管腳最近處;走線時(shí)，將其走在印制板的內(nèi)層，并處于兩層地之間，在時(shí)鐘線周圍加地線包裹;為減少電源線上的傳導(dǎo)干擾，在兩個(gè)晶振的+5 V供電電源入口處加磁珠，在28 V電源線入口處增加電源濾波器。

連接器的信號(hào)定義也是電磁兼容性設(shè)計(jì)的重要方面。在該實(shí)例中，對(duì)數(shù)字式控制器的信號(hào)進(jìn)行分類，將抗干擾能力弱的模擬信號(hào)和抗干擾能力強(qiáng)的28 V電源及功率離散量信號(hào)、通訊信號(hào)和調(diào)試接口均定義在一個(gè)連接器內(nèi)，這樣就在制作電纜時(shí)，將功率信號(hào)、電源、模擬信號(hào)、調(diào)試信號(hào)相互分開，降低了高頻對(duì)模擬信號(hào)的干擾。

4.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)電磁兼容性設(shè)計(jì)

對(duì)數(shù)字式控制器而言，設(shè)計(jì)制作具有良好屏蔽效能的機(jī)箱和模塊殼體，是實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽的關(guān)鍵。機(jī)箱屏蔽效能不僅取決于屏蔽體材料，還取決于屏蔽體結(jié)構(gòu)，所有機(jī)箱表面均有孔縫。因此，必須仔細(xì)處理孔縫，防止通過孔縫泄露電磁干擾信號(hào)。該控制器在機(jī)箱蓋板和箱體之間加共模壓導(dǎo)電橡膠，機(jī)箱蓋板螺釘之間的距離設(shè)置入/2。對(duì)于連接器和機(jī)箱之間的縫隙，采用對(duì)高頻具有良好導(dǎo)電性的橡膠條實(shí)現(xiàn)密封。

開關(guān)電源模塊內(nèi)的控制器的頻率最大有十幾kHz，但由于其控制的MOS管和變壓器通過的電流較大，因此，也會(huì)產(chǎn)生較大的干擾，需通過給開關(guān)電源模塊單獨(dú)增加殼體實(shí)現(xiàn)雙層屏蔽，以達(dá)到較好的屏蔽效果。此外，需注意的是，所有屏蔽效果的實(shí)現(xiàn)均依賴于屏蔽體的良好接地，因此，必須仔細(xì)處理機(jī)箱的接地，測(cè)試機(jī)箱的接地電阻是否符合機(jī)載設(shè)備的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

另外一種結(jié)構(gòu)電磁兼容性設(shè)計(jì)的方法是對(duì)電纜的電磁屏蔽。在進(jìn)行該控制器的電纜設(shè)計(jì)制作時(shí)，將電源線、模擬量信號(hào)和通訊信號(hào)分別單獨(dú)做電纜且雙絞屏蔽。為了減小電路對(duì)外的電磁輻射強(qiáng)度，將電源線和對(duì)應(yīng)的地線在磁環(huán)上繞砸，或?qū)⒉罘中盘?hào)的兩根線在磁環(huán)上繞砸。而一組通訊接口中的發(fā)送和接收也分別做了屏蔽，還對(duì)每個(gè)差分電路的兩根線分別進(jìn)行雙絞屏蔽。電纜屏蔽層的接地是通過屏蔽層與金屬連接器外殼可靠接地。

4.3 電源濾波器設(shè)計(jì)

該數(shù)字式控制器的電源濾波器由電感、電容、共模電感元件構(gòu)成低通濾波器，其基本電路如圖2所示。

由于控制器的濾波器在安裝過程中不規(guī)范，出現(xiàn)了CE102超標(biāo)的問題，其頻譜曲線如圖3所示。經(jīng)仔細(xì)分析和排查，發(fā)現(xiàn)濾波器的輸入輸出線距離較近，將濾波器“短路掉”，根據(jù)這一原因，進(jìn)行更改后，CE102頻譜掃描完全在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，其頻譜曲線如圖4所示。

試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理想的濾波器安裝方式是輸入線盡量短，其輸入和輸出線隔離，濾波器外殼良好接地。

4.4 接地設(shè)計(jì)

該數(shù)字式控制器中的地包括28 V供電電源地、28V離散量信號(hào)地、數(shù)字電路地、模擬電路地和機(jī)箱搭鐵地。28 V供電電源的地線必須單獨(dú)引線，不能用機(jī)箱搭鐵作為地線，在處理時(shí)也是單獨(dú)引一根地線，不與機(jī)箱連接。數(shù)字電路地是機(jī)載計(jì)算機(jī)的二次電源地，因此，其地線中有大量的高頻電流，為了抑制數(shù)字電路對(duì)模擬電路所帶來的干擾，將數(shù)字電路與模擬電路分開布線、鋪設(shè)地層，并減少相互影響。模擬電路地也是機(jī)載計(jì)算機(jī)的二次電源地，通常會(huì)有混合電路芯片如A/D轉(zhuǎn)換器是既有模擬電源，又有數(shù)字電源供電，且只有兩種電源共地后，芯片才能正常工作。將芯片的數(shù)字地和模擬地管腳通過一根最短的印制板走線相連，即單點(diǎn)接地，以免形成地環(huán)路。

為保證整個(gè)控制器的參考地穩(wěn)定，也為了確保控制器和其他機(jī)載設(shè)備電氣互聯(lián)具有統(tǒng)一的參考，將整個(gè)系統(tǒng)的地與機(jī)箱通過單點(diǎn)接地，而機(jī)箱通過搭鐵線與飛機(jī)機(jī)體或大地可靠連接。

5 結(jié)束語

本文通過分析數(shù)字式控制器的具體結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，找出了主要干擾源，并從整機(jī)系統(tǒng)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和電源濾波器以及接地系統(tǒng)進(jìn)行了有針對(duì)性的電磁兼容設(shè)計(jì)，使該數(shù)字式控制器的電磁兼容性試驗(yàn)全部達(dá)到要求，其中CE102的頻譜掃描圖見圖5所示。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了文中電磁兼容設(shè)計(jì)方法是行之有效的，可供其他電子設(shè)備借鑒。